en tunnelborrmaskin (TBM) även känd som en ”mullvad”, är en maskin som används för att gräva tunnlar med ett cirkulärt tvärsnitt genom en mängd olika jord-och bergskikt. De kan borra genom hårdrock, sand och nästan allt däremellan. Tunneldiametrarna kan sträcka sig från en meter (gjort med mikro-TBM) till nästan 16 meter hittills. Tunnlar med en diameter på mindre än en meter eller så görs vanligtvis med grävfria konstruktionsmetoder eller horisontell riktborrning snarare än TBM.
Tunnelborrmaskiner används som ett alternativ till borrning och sprängning (D&B) metoder i berg och konventionell ’handbrytning’ i jord. Tbm har fördelarna med att begränsa störningen till den omgivande marken och producera en slät tunnelvägg. Detta minskar avsevärt kostnaden för att fodra tunneln och gör dem lämpliga att använda i tungt urbaniserade områden. Den största nackdelen är den initiala kostnaden. Tbm är dyra att bygga och kan vara svåra att transportera. Men eftersom moderna tunnlar blir längre är kostnaden för tunnelborrmaskiner kontra borr och sprängning faktiskt mindre—det beror på att tunnling med TBMs är mycket effektivare och resulterar i ett kortare projekt.
den största diametern TBM, på 15.43 m, byggdes av Herrenknecht AG för ett nyligen projekt i Shanghai, Kina. Maskinen byggdes för att borra genom mjuk mark inklusive sand och lera. Den största diametern hard rock TBM, på 14,4 m, tillverkades av Robbins Company för Kanadas Niagara Tunnel Project. Maskinen är för närvarande tråkig en vattenkraft tunnel under Niagara Falls, maskinen har fått namnet ”Big Becky” med hänvisning till Sir Adam Beck vattenkraft dammar som det är tunnel för att ge en ytterligare vattenkraft tunnel.
Hårdrock TBMs
i hårdrock kan antingen skärmade eller öppna TBMs användas. Alla typer av hårdrock TBM: er gräver sten med skivskärare monterade i skärhuvudet. Skivskärarna skapar tryckspänningsfrakturer i berget, vilket får den att flisas bort från berget framför maskinen, kallad tunnelytan. Den utgrävda klippan, känd som muck, överförs genom öppningar i skärhuvudet till en bandtransportör, där den går genom maskinen till ett system med transportörer eller muckbilar för borttagning från tunneln.
TBM med öppen typ har ingen sköld och lämnar området bakom skärhuvudet öppet för bergstöd. För att avancera använder maskinen ett gripsystem som skjuter mot tunnelns sidoväggar. Maskinen kan styras kontinuerligt medan gripskor trycker på sidoväggarna för att reagera maskinens framåtriktning. I slutet av ett slag sänks maskinens bakben, griparna och drivcylindrarna dras in. Indragningen av drivcylindrarna omplacerar gripaggregatet för nästa borrcykel. Griparna förlängs, bakbenen lyfts och tråkiga börjar igen. Den öppna typen, eller helljuset, TBM installerar inte betongsegment bakom det som andra maskiner gör. Istället hålls berget upp med hjälp av markstödsmetoder som ringbalkar, bergbultar, sprutbetong, stålremmar och trådnät (Stack, 1995).
i frakturerad sten kan skärmade hårdrocks TBM användas, vilket upprättar betongsegment för att stödja instabila tunnelväggar bakom maskinen. Dubbelsköld TBM är så kallade eftersom de har två lägen; i stabil mark kan de greppa mot tunnelväggarna för att gå framåt. I instabil, sprickad Mark flyttas tryckkraften till tryckcylindrar som skjuter ut mot tunnelsegmenten bakom maskinen. Detta håller de betydande tryckkrafterna från att påverka bräckliga tunnelväggar. Enkelsköld TBM fungerar på samma sätt, men används endast i sprickad mark, eftersom de bara kan skjuta ut mot betongsegmenten (Stack, 1995).
mjuk mark TBM
i mjuk mark finns det två huvudtyper av TBM: Jordtrycksbalansmaskiner (EPB) och Slurry Shield (SS). Båda typerna av maskiner fungerar som enstaka sköld TBM, med hjälp av tryckcylindrar för att gå framåt genom att trycka mot betongsegment. Jordtrycksbalansmaskiner används i mjuk mark med mindre än 7 bar tryck. Skärhuvudet använder inte bara skivskärare, utan istället en kombination av volframkarbidskärbitar, hårdmetallskärare och/eller hårdrocksskärare. EPB får sitt namn eftersom det kan hålla upp mjuk mark genom att upprätthålla en balans mellan jord och tryck. TBM-operatören och automatiserade system håller hastigheten för markavlägsnande lika med hastigheten för maskinförskott. Således upprätthålls en stabil miljö. Dessutom injiceras tillsatser såsom bentonit, polymerer och skum i marken för att ytterligare stabilisera det.
i mjuk mark med mycket högt vattentryck och stora mängder grundvatten behövs Slurry Shield TBM. Dessa maskiner erbjuder en helt sluten arbetsmiljö. Jordar blandas med bentonituppslamning, som måste avlägsnas från tunneln genom ett system av slamrör som lämnar tunneln. Stora uppslamningsavskiljningsanläggningar behövs på ytan för denna process, som skiljer smutsen från uppslamningen så att den kan återvinnas tillbaka i tunneln.
medan användningen av TBM lindrar behovet av ett stort antal arbetare vid höga tryck, bildas ibland ett kassunsystem vid skärhuvudet för slurry shield TBM. Arbetare som går in i detta utrymme för inspektion, underhåll och reparation måste medicinskt rensas som ”fit to dive” och utbildas i driften av låsen.
Back-up-system
bakom alla typer av tunnelborrmaskiner, inuti den färdiga delen av tunneln, finns bakre stöddäck som kallas back-up-systemet. Stödmekanismer som finns på back-up kan inkludera: transportörer eller andra system för muckavlägsnande, slamrörledningar i förekommande fall, kontrollrum, elektriska system, dammavlägsnande, ventilation och mekanismer för transport av förgjutna segment.
Urban tunnel och nära yttunnel
Urban tunnel har den speciella utmaningen att kräva att markytan är ostörd. Detta innebär att marksänkning måste undvikas. Den normala metoden för att göra detta i mjuk mark är att bibehålla marktrycket under och efter tunnelkonstruktionen. Det finns vissa svårigheter att göra detta, särskilt i olika skikt (t. ex. genom en region där den övre delen av tunnelytan är våt sand och den nedre delen är hårdrock).
TBM med positiv ansiktskontroll, såsom EPB och SS, används i sådana situationer. Båda typerna (EPB och SS) kan minska risken för ytsänkning och tomrum om de används korrekt och om markförhållandena är väl dokumenterade.
när tunnlar i stadsmiljöer måste andra tunnlar, befintliga verktygslinjer och djupa fundament tas upp i de tidiga planeringsstadierna. Projektet måste omfatta åtgärder för att mildra eventuella skadliga effekter på annan infrastruktur.
1-Slurry Pressure Balance (SPB) TBM
grundprincipen för denna TBM är att upprätthålla ansiktstrycket under utgrävningsfasen genom att fylla arbetskammaren, som ligger bakom skärhuvudet, med uppslamning.
fördelar
- gör att mjuk, våt eller instabil mark kan tunnlas med en hastighet och säkerhet som inte tidigare varit möjlig
- lämplig för mark med högt vattentryck (under vattentabellen)
- begränsar markuppgörelsen och ger en slät tunnelvägg. Detta minskar avsevärt kostnaden för att fodra tunneln och gör den lämplig att använda i tungt urbaniserade områden.
nackdelar
- den största nackdelen är den initiala kapitalkostnaden. Tbm är dyra att konstruera, svåra att transportera, kräver betydande reservsystem och kraft.
- enheten kan hindras av stora stenar och stenblock
huvudegenskaper
- Tunnelfoder-prefabricerade Betongsegment
- typisk prestanda-5m till 30m per dag. Faktiska prestanda och kostnader beror på markförhållanden och tunneldiameter.
2- Jordtrycksbalans (EPB) TBM
detta är en mekaniserad tunnelmetod där förstöring tas in i tunnelborrmaskinen (TBM) via ett skruvtransportörarrangemang som gör att trycket vid TBM: s yta kan förbli balanserat utan användning av slam.
fördelar
- gör att mjuk, våt eller instabil mark kan tunnlas med en hastighet och säkerhet som inte tidigare varit möjlig
- begränsar markuppgörelsen och ger en slät tunnelvägg. Detta minskar avsevärt kostnaden för att fodra tunneln och gör den lämplig att använda i kraftigt urbaniserade områden
nackdelar
den största nackdelen är den initiala kapitalkostnaden. Tbm är dyra att konstruera, svåra att transportera, kräver betydande reservsystem och kraft.
huvudegenskaper
- Tunnelfoder-prefabricerade Betongsegment.
- typisk prestanda-9m till 35m per dag. Faktiska prestanda och kostnader beror på markförhållanden och tunneldiameter.
3- Hard Rock tbm
denna metod innefattar användning av en Tunnelmaskin med en sköld och skärhuvud som är lämplig för hårdrock.
fördelar
de erbjuder ett kontinuerligt och kontrollerat sätt att tunnla med höga förskott under gynnsamma förhållanden.
nackdelar
- den största nackdelen är den initiala kapitalkostnaden. Tbm är dyra att konstruera, svåra att transportera, kräver betydande reservsystem och kraft.
- deras tillämplighet är begränsad till långa tunnlar där höga förskott och tunnelkvalitet kan kompensera deras höga kapitalkostnader.
huvudegenskaper
- Tunnelfoder-prefabricerade Betongsegment / sprutbetong / Inget foder
- typisk prestanda – 12m till 67m per dag. Faktiska prestanda och kostnader beror på markförhållanden och tunneldiameter.
stadier av TBM Konstruktion
